JP2002504261A

JP2002504261A - ポリマー発光ダイオードにおける安定した電子注入カソードとしての極薄層アルカリ土類金属

Info

Publication number: JP2002504261A
Application number: JP50243999A
Authority: JP
Inventors: カオ，ヨン
Original assignee: ユニアックスコーポレイション
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2002-02-05
Also published as: CA2293803A1; EP0988653A1; WO1998057381A1; US6452218B1; EP0988653A4

Abstract

(57)【要約】本発明は、概して発光ダイオードLEDの分野に関する。より詳細には、本発明は高輝度、高効率、およびより長い作動寿命を提供するポリマーLEDに関し、このポリマーLEDは、透明なホール注入アノード層(11)と、エレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層(12)と、電子注入カソード層(13)とを含み、上記カソード層は、約100Å以下の厚さ（典型的には約15〜約100Å）を有する、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムのようなアルカリ土類金属の極薄層を含む。

Description

【発明の詳細な説明】ポリマー発光ダイオードにおける安定した電子注入カソードとしての極薄層アルカリ土類金属関連出願本出願は、1997年６月10日に出願された米国仮特許出願第08/872,657号の優先権を主張しており、その開示を本明細書中において参考として援用する。技術分野本発明は、概して発光ダイオード（LED）の分野に関する。より詳細には、本発明は高輝度、高効率、およびより長い作動寿命を提供するポリマーLEDに関し、このポリマーLEDは、（ａ）透明なホール注入アノード層と、（ｂ）エレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層と、（ｃ）電子注入カソード層とを含み、上記カソード層は、約100Å以下の厚さ（典型的には約15〜約100Å）を有するアルカリ土類金属（例えばカルシウム、ストロンチウム、およびバリウム）の極薄層を含む。背景本出願の全体を通して、様々な刊行物、特許、および公開された特許出願を略称(identifying citation)により参照している。これらの文献の完全な記載は、請求の範囲のすぐ前にある明細書の最後においてわかり得る。本願において参照する刊行物、特許、および公開された特許明細書の開示は、本発明に関する技術分野の状況をより十分に説明するために、本発明の開示に参考として援用する。有機ポリマー層を結合(conjugated)して作られたダイオード、特に発光ダイオード（LED）は、そのディスプレイ技術における使用の可能性のために、注目を浴びてきた。例えば、Burroughsら（1990年）、およびBraunら(1991年)を参照されたい。ポリマーLED内の活性層としての使用に有望な物質は、ポリ(フェニレンビニレン)、すなわちPPV、およびポリ(2-メチオキシ(methyoxy)-5-(2'-エチル -ヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン)、すなわちMEH-PPVであり、約2.1e VのエネルギーギャップEgを伴う半導体ポリマーのようなPPVの可溶性誘導体である。この物質は、Wudlら(1993年)の中でより詳細に記載されている。ポリマーLE Dの活性層として有用と記載される別の物質は、ポリ(2,5-ビス(コレスタノキシ) -1,4-フェニレンビニレン)、すなわちBCHA-PPVであり、約2.2eVのエネルギーギャップEgを伴う半導体ポリマーである。この物質は、Zhangら(1993年)の中でより詳細に記載されている。他の適切なポリマーは、例えば、ポリ(3-アルキルチオフェン)（例えば、Braunら(1992年)を参照）および関連誘導体（例えば、Berg grenら(1995年)を参照）、ポリ(p-フェニレン)（例えば、Gremら(1992年)を参照）、ならびにその可溶性誘導体（例えば、Yangら(1993年)を参照）、およびポリキノリン（例えば、Parkerら(1994年a)を参照）である。非共役ホストポリマーにおける共役半導体ポリマーの混合物もまた、ポリマーLEDの活性層として有用である（例えばZhangら(1994年)を参照）。また、２つ以上の共役ポリマーの混合物も有用である（例えば、Yu(1996年)を参照）。概して、ポリマーLEDの活性層として使用するための物質は、半導体共役ポリマーを含み、より具体的には光ルミネセンスを表す半導体共役ポリマーであり、さらにより具体的には、光ルミネセンスを示し、ならびに溶液から均一な薄膜へ可溶かつ加工可能である半導体共役ポリマーである。有機ポリマー型LEDの分野において、比較的高い仕事関数の金属をアノードとして使用することは、当該分野においてすでに教示されており、この高い仕事関数のアノードは、半導体ルミネセンスポリマーの他の満たされたπバンドへホールを注入することに役立つ。比較的低い仕事関数の金属は、カソード材料として好ましく、この低い仕事関数のカソードは、半導体のπ^*バンドが空のルミネセンスポリマーへ電子を注入することに役立つ。アノードにおいて注入されたホールおよびカソードにおいて注入された電子は、活性層内で放射的に再結合し、発光される。適切な電極の一般的な基準は、Parkerら(1994年b)が詳細に説明している。アノード物質として用いられる適切な比較的高い仕事関数の金属は、透明なインジウム／酸化スズの導電性薄膜である（例えば、Burroughsら(1990年)、Braun ら(1991年)を参照）。あるいは、導電性のエメラルド色の塩形態(emeraldine sa lt form)のポリアニリンの薄膜が使用され得る（例えば、Gustafssonら(1992年) 、Yangら(1994年)、Yang(1995年)、およびYangら(1995年)を参照）。導電性のエメラルド色の塩形態におけるインジウム／酸化スズの薄膜、およびポリアニリンの薄膜は、両者がLEDからの発光を有益な水準においてデバイスから放射され得るようにすることから、透明な電極として好ましい。カソード物質として用いられる適切な比較的低い仕事関数の金属は、カルシウム、マグネシウム、およびリチウムを含む。電子注入カソード層の厚さは、典型的には200〜5000Åの範囲にある（例えば、Vanslyke(1992年)、Friendら(1993年 )、Nakanoら(1994年)、およびKidoら(1995年)を参照）。200〜500Åの低い方の制限は、カソード層における連続的な膜（全適用範囲）を形成するために必要とされる（例えば、Holmesら(1996年)、Scottら(1996年)、およびParkerら(1994年 )を参照）。良好な適用範囲に加え、より厚いカソード層は、酸素および水蒸気をデバイスの活性部分から離すためのセルフカプセル化を供給すると考えられていた。反応性カソード金属のより安定した金属（例えば、アルミニウムまたは銀）との合金は、カソードの環境的安定性を改善するための試みとして用いられている。しかし、生成されたカソードは、酸素および／または水蒸気との反応に対してなお不安定である（例えば、Vanslyke(1991年)、Vanslykeら(1991年)、およびHe egerら(1995年)を参照）。アルカリ土類金属の中で、カルシウムがポリマーLEDに広く使用されている。カルシウムが優良な電子注入接触部として機能することは公知である。ストロンチウムおよびバリウムはカルシウムの仕事関数と類似した仕事関数を有するが、ポリマーLEDにおけるカソード物質としてのストロンチウムおよびバリウムのいずれかの使用に関した科学文献における報告はない。これは、おそらく、カルシウムと比較して、ストロンチウムおよびバリウムのより高い化学反応性のためである。例えば、カルシウムでさえ、室温における酸素および水蒸気に非常に反応性であり、上昇した温度においてはより活発に反応する。結果として、比較的厚い膜（＞1000Å）は、ある程度のセルフカプセル化を供給するために用いられているか、あるいは安定した金属（例えば、アルミニウム）との合金がLED用のカソードとして用いられているかのいずれかであるが、成功例は、限られている。ポリマーLEDの構成における改善にも関わらず、なお存在している問題点は、負荷のかかる間（特に上昇した温度において）のデバイス効率（および光出力）の急速な減衰である。従って、ポリマーLED内の電子注入接触部として使用される低い仕事関数のカソードが必要であり、これは特に上昇した温度での酸素および水蒸気との反応に対して改善された安定性を有する。発明者は、アルカリ土類金属の極薄層を含むカソードが、同じ金属（および他の低い仕事関数の金属）から作製されるが、200Åを上回る厚さ（典型的には200 Å〜5000Åの範囲内）の膜を備えた従来のカソードと比べ、安定性（より長い負荷寿命）において顕著な改良点を提供するという驚くべき予想外の結果を発見した。後者は当該分野において公知である。従って、本発明は概して、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウム）の極薄層（典型的には約15Å〜約100Å）を含むカソードに関する。これは効率的に電子をエレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層へ注入するための安定した接触部として機能し、それにより高輝度、高効率、およびより長い作動寿命を備えたLEDをもたらす。発明の要旨本発明は、より長い作動寿命を有するポリマー発光ダイオード（LED）に関し、より詳細には、効率および光出力の減衰が実質的に延ばされるLEDに関する。従って、本発明の１つの局面は、（ａ）透明なホール注入アノード層と、（ｂ）エレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層と、（ｃ）電子注入カソード層と、を含み、上記カソード層は、約15〜約100Åの厚さを有するアルカリ土類金属の極薄層を含む、ポリマー発光ダイオード（LED）に関する。ある実施態様において、アルカリ土類金属は、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムからなる群から選択される。別の実施態様において、アルカリ土類金属の極薄膜は、約30〜約60Åの厚さを有する。別の実施態様において、カソード層はキャッピング層をさらに含む。１つの実施態様において、キャッピング層はアルミニウム、銀、または銅を含む。別の実施態様において、エレクトロルミネセンスポリマーは共役ポリマーである。ある実施態様において、エレクトロルミネセンスポリマーは、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリ(アリーレンビニレン)、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(アリーレン)、およびポリキノリンからなる群から選択される。ある実施態様において、エレクトロルミネセンスポリマーは、ポリ(2-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-5-メトキシ-1,4-フェニレン-1,4-フェニレンビニレン)である。別の実施態様において、アノード層は、金属、金属酸化物、グラファイト、ドーピングされた無機半導体、ドーピングされた共役ポリマーからなる群から選択される物質を含む。ある実施態様において、アノード層は、アルミニウム、銀、プラチナ、金、パラジウム、タングステン、インジウム、銅、鉄、ニッケル、亜鉛、鉛、酸化スズ、インジウム／酸化スズ、グラファイト、ドーピングされたシリコン、ドーピングされたゲルマニウム、ドーピングされたガリウム砒素、ドーピングされたポリアニリン、ドーピングされたポリピロール、およびドーピングされたポリチオフェンからなる群から選択される物質を含む。別の実施態様において、LEDはカプセル化されている。図面の簡単な説明図１は、本発明（縮図通りでない）の典型的な固体のLEDデバイスの断面図であり、１０は基板、１１はアノード、１２はルミネセンスポリマー、１３はアルカリ土類金属の極薄層、１４はキャッピング金属、１６は電源である。図２は、85℃かつ8.3mA／cm²での連続的負荷のかかる間において、異なる厚さのカルシウム層による、LEDデバイスにおける時間に対する輝度のグラフである。図３は、85℃かつ8.3mA／cm²での連続的負荷のかかる間において、異なる厚さのバリウム層による、LEDデバイスにおける時間に対する輝度のグラフである。図４は、85℃かつ8.3mA／cm2での連続的負荷のかかる間において、カソード層としての40Å、および3000Å、それぞれのストロンチウムの層による、LEDデバイスにおける時間に対する輝度のグラフである。図５は、85℃かつ8.3mA／cm²での連続的負荷のかかる間において、カソード層としての40Åのカルシウム、ストロンチウム、およびバリウムのそれぞれの層による、LEDデバイスにおける時間に対する25mAでの電圧のグラフ（電圧増加率を示す）である。電圧増加率は、括弧内に示される。図６は、85℃かつ8.3mA／cm²での連続的負荷のかかる間において、カソード層として2000Åのカルシウム／アルミニウム合金の層を有する、比較LEDデバイスにおける時間に対する輝度のグラフである。発明の詳細な説明ある実施態様において、本発明は（ａ）透明なホール注入アノード層と、（ｂ）エレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層と、（ｃ）電子注入カソード層と、を含み、上記カソード層は、約15〜約100Åの厚さを有するアルカリ土類金属の極薄層を含む、ポリマー発光ダイオード（LED）に関する。本発明のLEDの典型的な例が図１に示されており、カソードはアルカリ土類金属（図１の層１３の極薄層）から作製される。他の局面においては、本発明のLE Dは、当該分野において公知のものと類似している。すなわち、本発明のLEDは、活性エレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層（例えば、活性半導体ポリマー層）（図１の層１２）を備え、これはアノード層（図１の層１１）とカソード層（アルカリ土類金属の極薄層（図１の層１３）および光キャッピング層（図１の層１４）を含む）との間に挟まれている。当該分野において公知である性能を高めるための他の層もまた、所望であれば取り入れられ得る。これらは、例えば Greenhamら(1993年)およびZhangら(1993年)により説明されているような、電子伝達層、および／またはホール伝達層を含む。アルカリ土類金属の極薄層を含むカソード本発明のLEDは、約15〜約100Åの厚さを有するアルカリ土類金属の極薄層を含む、電子注入カソード層を備える。用語「アルカリ土類金属」は、本明細書中において従来の意味で用いられており、周期表のIIa族の金属を示し、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、およびバリウム(Ba)を含む。本発明において使用される好適なアルカリ土類金属はカルシウム、スロトンチウム、バリウムである。アルカリ土類金属は、概して低い仕事関数の金属(すなわち、Mg約3.66eV、Ca約2.7eV、Sr約2. 76eV、Ba約2.35eV)である（例えば、Dean(1982年)を参照）。本発明のLEDにおいて、アルカリ土類金属の極薄層は、約100Å以下の厚さを有し、典型的には約15〜約100Åの厚さである。ある実施態様において、アルカリ土類金属の極薄層は、約30〜60Åの厚さを有する。アルカリ土類金属の極薄層は、典型的には、任意の薄い金属膜の堆積として当該分野において公知の技術（真空蒸着、スパッタリング、もしくは電子ビーム堆積など）を用いて、例えば純金属または合金などを使用して作製される。低い仕事関数の金属の厚さは、堆積の時間および速度により調節され得る。堆積の典型的な速度は、毎秒0.5〜２Åであった。半導体産業においては、100Åを下回る厚さの極薄金属層が、数百オングストロームの直径のグラニュール(granule)を形成することは、一般に認められている。典型的には、アルカリ土類金属の極薄層の上には、より安定した金属のキャッピング層が堆積され、連続的な電気的接続を極薄アルカリ土類金属の分離グラニュールへ供給し、カプセル化の第１のレベルを提供する。従って、ポリマー発光層の表面は、アルカリ土類金属の極薄層で完全に覆われる必要はなく、覆われない表面はそれに続くキャッピング層に接触する。適切なより安定した金属は、典型的に高い仕事関数の金属であり、例えばアルミニウム、銀、銅等を含む。キャッピング層の厚さは、典型的には数百オングストローム以上であり、多くの場合数千オングストロームである。キャッピング層の結果として、電流対電圧（Ｉ −Ｖ）曲線において、２つのサイン(signature)が時折観察される。例えば、Al がキャッピング物質であるCa/Alカソードにおいて、約1.1V（アルミニウムの仕事関数は4.2eV）におけるAlからの電子注入に対応する１つのサインが観察され、約1.6V（カルシウムの仕事関数は2.7eV）におけるCaからの電子注入に対応する第２のサインが観察される。しかし典型的には、Ca/Alカソードにおいて、ただ１つのターンオンが約1.6VにおけるＩ−Ｖ曲線に観察され、これはカルシウムの極薄層内の最小不連続面(discontinuities)を示している。後者の方が好ましい。低い仕事関数の金属（例えば、アルカリ土類金属）が、室温においてでさえ共役ポリマーをドーピングし得ることは周知である（例えばSkotheim(1986年)を参照）。Salaneckら(1996年)は、界面でCa⁺²となったCaにより共役オリゴマーのインサイチュドーピングの観察を報告した。従って、金属グラニュールは均質的にポリマー界面へ溶解され、Ca⁺²はｎ型ドーピングポリマー中の対イオンとして働く。この場合、半導体ポリマーのｎ型ドープ層は電子注入接触部として機能する。電子注入接触部として機能する半導体ポリマーのｎ型ドープ層は、以下の実施例において実証されており、そこからBa(2.35eV)の仕事関数はCa(2.7eV)の仕事関数よりもかなり低いが、CaおよびBaのターンオン電圧は同じ（および1.6V）であることがわかる。以下の実施例において実証されるように、極薄アルカリ土類金属を含むカソードを備えたデバイスの負荷寿命は、アルカリ土類金属の標準的厚さ（例えば、20 00Å）を備えたデバイスに対し、特に上昇した温度において、顕著に改善される。しかしながら、極薄の低い仕事関数の金属カソードを含むカソードを備えたデバイスは、従来のカソードを備えたデバイスのものに匹敵する機能性（輝度および量子効率）を示す。以下の実施例において実証されるように、85℃での最高負荷寿命が、約30〜40Åのカソード厚さにおいて観察された。高輝度および高量子効率は、界面におけるポリマーのｎ型ドープ層を介した優良な電子注入から得られる。一方、ドーピングが共役ポリマーのルミネセンスをクエンチすることは周知である。低い仕事関数の金属のより厚い層がカソードとして用いられる場合、負荷誘導型ドーピングは、作動している間、そのドーピングをポリマー部分内のますます深いところまで及ばせる。それにより、作動中の効率および光出力が低減される。エレクトロルミネセンスポリマー本発明のＬＥＤにおいて、ルミネセンス層（発光層とも呼ぶ）は、エレクトロルミネセンスポリマーを有している。一実施形態において、エレクトロルミネセンスポリマーは、π−共役部分のセグメントを含む、少なくとも１つの共役ポリマーまたはコポリマーを含む。共役ポリマーは当該分野において周知である（例えばBredasら、1991年を参照のこと）。適切な例としては、まったく限定しないが以下のものが含まれる：（ｉ）ポリ(p-フェニレンビニレン)およびフェニレン部分上の様々な位置で置換されたその誘導体；（ii）ポリ(p-フェニレンビニレン)およびビニレン部分上の様々な位置で置換されたその誘導体；（iii）ポリ(p-フェニレンビニレン)およびフェニレン部分上の様々な位置で置換されかつビニレン部分上の様々な位置で置換されたその誘導体；（iv）ポリ(アリーレンビニレン)であって、前記アリーレンは、ナフタレン、アントラセン、フリレン、チエニレン、オキサジアゾールなどの部分であり得る、ポリ(アリーレンビニレン)；（v）ポリ(アリーレンビニレン)の誘導体であって、前記アリーレンは上記（i v）の通りであり得、さらに前記アリーレン上の様々な位置において置換基を有し得る、ポリ(アリーレンビニレン)誘導体；（vi）ポリ(アリーレンビニレン)の誘導体であって、前記アリーレンは上記（ iv）の通りであり得、さらに前記ビニレン上の様々な位置において置換基を有し得る、ポリ(アリーレンビニレン)誘導体；（vii）ポリ(アリーレンビニレン)の誘導体であって、前記アリーレンは上記（iv）の通りであり得、さらに前記アリーレン上の様々な位置において置換基を有し得、前記ビニレン上の様々な位置において置換基を有し得る、誘導体；（viii）（iv）、（ｖ）、（vi）および（vii）などのアリーレンビニレンオリゴマーと、非共役オリゴマーとの、コポリマー；（ix）ポリ(p-フェニレン)およびフェニレン部分上の様々な位置で置換された、ポリ（9,9-ジアルキルフルオレン）などのラダーポリマー誘導体を含む、その誘導体；（ｘ）ポリ(アリーレン)であって、前記アリーレンは、ナフタレン、アントラセン、フリレン、チエニレン、オキサジアゾールなどの部分であり得る、ポリ（アリーレン）、および前記アリーレン部分上の様々な位置で置換されたそれらの誘導体；（xi）（ｘ）などのオリゴアリーレンと、非共役オリゴマーとの、コポリマー；（xii）ポリキノリンおよびその誘導体；（xiii）ポリキノリンと、フェニレン上で例えばアルキル基またはアルコキシ基で置換されることにより可溶性を付与したp-フェニレンとの、コポリマー；（xiv）ポリ（p-フェニレン-2,6-ベンゾビスチアゾール）、ポリ（p-フェニレン-2,6-ベンゾビスオキサゾール）、ポリ（p-フェニレン-2,6-ベンズイミダゾール）などの剛性を有する桿状ポリマー、およびその誘導体；ならびにその他である。ルミネセンス層は典型的には、当該分野で公知の任意の技術、特にポリマーＬＥＤの分野で公知の方法（例えば、溶液から直接鋳造(cast)すること、およびポリマー前駆体を鋳造した後で反応（例えば加熱）を行うことにより所望のポリマーを形成することを含む）を用いて製造され得る。典型的には、ルミネセンス層は約８００から約１５００Å、より好ましくは約１０００Åの厚さを有する。透明アノード層本発明のＬＥＤのエレクトロルミネセンス層は、その片面上に透明アノード層を有している。基板が存在する場合にはこの層は、基板と、共役ポリマーおよび必要であれば添加剤を有する発光層との間にある（例えば基板上に堆積される）。アノード層は、ホール注入層として機能し、約４．５ｅｖを越える仕事関数を有する材料を含む、透明な導電性層である。典型的なアノード材料は、金属（アルミニウム、銀、プラチナ、金、パラジウム、タングステン、インジウム、銅、鉄、ニッケル、亜鉛、鉛など）；金属酸化物（酸化鉛、酸化スズ：インジウム／酸化スズなど）；グラファイト；ドーピングされた無機半導体（シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素など）；およびドーピングされた導電性材料（ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなど）を含む。上記のものなどの金属が用いられるとき、アノード層は、発光層中で発光される光に対して半透明であるために十分薄くなければならない。インジウム／酸化スズなどの金属酸化物ならびにポリアニリンおよびポリピロールなどの導電性ポリマーは、可視光線スペクトルにおいて典型的には半透明である。アノード層は典型的には、薄膜堆積の分野で公知の任意の技術、例えば真空蒸着、スパッタリング、電子ビーム堆積、または化学蒸着を用い、例えば純金属または合金その他の膜前駆体を用いて製造し得る。典型的にはアノード層は約３００から約３０００Åの厚さを有する。カプセル化本発明のカソードによって提供される負荷寿命の大幅な向上にもかかわらず、長時間による劣化を防止するために、本発明のポリマーＬＥＤをカプセル化することが典型的には好適である。カプセル化の方法は当該分野において周知である。例えば、デバイスは、ガラス板間に密閉され得るか、またはバリアポリマー層間に密閉され得る。実施例アルカリ土類金属の極薄膜を含むカソードを用いて製造されたポリマーＬＥＤの安定性および寿命の著しい向上を以下の実施例に示す。以下の実施例は、説明のために提供され、本発明を限定するものではない。実施例１ＬＥＤを、活性半導体ルミネセンスポリマーとしてポリ(2-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-5-メトキシ-1,4-フェニレンビニレン)（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）を用いて製造した。ＭＤＭＯ−ＰＰＶ膜の厚みは１０００オングストロームであった。アノードとしてインジウム／酸化スズを用いた。デバイスアーキテクチャは、ＩＴＯ／ＭＤＭＯ−ＰＰＶ／金属であった。基板としてのガラス上のＩＴＯ（塗布ＩＴＯ／ガラス）と、基板としてのプラスチックであるポリエチレンテレフタレート、すなわちＰＥＴ上のＩＴＯ（CourtauldのＩＴＯ／ＰＥＴ）との両方を用いて、デバイスを製造した。いずれの場合も、ＩＴＯはアノードでありホール注入接触部であった。カソードとしてカルシウム（Ｃａ）の極薄膜を用いてデバイスを製造した。３ｃｍ²の面積の活性層を生成する１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３ ×１０^-4Ｐａ）未満の圧力での真空蒸着を用いて、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ層上に金属性カソード膜を製造した。ＳＴＭ−１００厚み／速度計(Sycon Instruments, r、Tencor Instruments)を用いて１５００オングストロームのアルミニウム膜を測定することにより、エバポレータ内の基板位置における実際の厚みと厚み分布の較正とを行った。カルシウム層の厚みは７、１０、１５、２０、３０、４５、６０、８０、１５０、３００および２０００オングストロームであった。Ｃａ蒸着の直後に、カルシウム層上に、３０００オングストロームのアルミニウムのキャップ層を堆積した。各デバイスについて、電流−電圧曲線、光−電圧曲線、および量子効率を測定した。カソードとして異なる厚みのカルシウムを有するデバイスの、測定された量子効率を表１にまとめる。本実施例は、カソードとしてＣａを有するポリマーＬＥＤがエレクトロルミネセンスにより発光すること、および発光の量子効率が、１００オングストローム未満の厚みを有する極薄膜を含む広範囲のＣａ厚みを有するデバイスの量子効率に匹敵することを示す。実施例２カバーガラスとＵＶ硬化型エポキシ(ELC-2500、Electro-Lite Corporation)とを用いて実施例１のデバイスをカプセル化し、周囲雰囲気下の炉内で８５℃で２５ｍＡ（電流密度８．３３ｍＡ／ｃｍ²）の定電流を印加した。各デバイスから１ｃｍ上に設けた光ダイオードによって、光出力を記録した。印加中の動作電圧の変化を記録した。異なるＣａ厚みを有するデバイスの、印加中の輝度変化を図１に示す。本実施例は、８５℃における負荷半減期τ_1/2（光強度が初期値の半分まで低下するために要する時間）が５０時間から２００時間を越えるまで延長されるという驚くべきかつ予想されない結果を示す。上記の実験に基づき、同一の電流密度（８．３３ｍＡ／ｃｍ²）において、室温における負荷と比較した場合の、８５℃における負荷寿命の加速因子は４０であると決定した。このことは、ＬＥＤの室温における負荷半減期が８０００時間を超えることを示す。実施例３実施例１と同様に発光ダイオードを製造した。但し、カルシウム（Ｃａ）の代わりにストロンチウム（Ｓｒ）およびバリウム（Ｂａ）を用いた。初期デバイス性能データを表２にまとめる。本実施例は、カソードとしてＢａおよびＳｒを用いたポリマーＬＥＤがエレクトロルミネセンスによって発光すること、ならびに、発光の量子効率が、広い厚さ範囲を用いたデバイスの量子効率と同等であることを示している。カソードにＣａまたはＳｒを含むデバイスと比べて、カソードにＢａを含むデバイスの方が、若干高い量子効率が得られた。実施例２と同じ条件下で、これらのデバイスに負荷をかけた。ＢａおよびＳｒの厚さが異なるデバイスについての、負荷下での輝度変化の変化を図３および図４に示す。ＢａおよびＣａについての負荷寿命の厚さ依存性は、図２のＣａについて見られたものと同様であった。図２、図３および図４のデータを比較すると、Ｂａの極薄層を含むカソードが最高の負荷寿命を与えることが明らかである。カソード中に異なる厚さのＣａ、ＳｒおよびＢａを用いたＬＥＤの８５℃および８．さらに、Ｂａの極薄層を含むデバイスは、ＣａまたはＳｒの極薄層を含むデバイスと比べて、若干低い電圧上昇率を示す（これは、図５のデータから明らかである）。本実施例は、動作寿命の点では、調べたアルカリ土類金属の中で極薄Ｂａが最高の性能を与えることを示している。実施例４実施例１および実施例２を繰り返したが、キャッピング層を、Alから高い仕事関数を有する金属である銀(Ag)および銅(Cu)に変えた。デバイス性能データを表４に要約して示す。データが示すところでは、AgおよびCuキャッピング層を有するデバイスは、カソードにCaを用い、かつ、キャッピング金属にAlを用いたデバイスに匹敵する（表１参照）。85℃で行なった負荷試験では、Ca層について、Al をキャッピング層として用いた場合と同様の厚さ依存性(thickness dependence) を示した。この実施例は、高い仕事関数を有する様々な金属を、カソードとなる極薄アルカリ土類金属と組み合わせて、金属キャッピング層として使用し得ることを示す。比較例実施例１を繰り返したが、2000Åのカルシウムおよびアルミニウムの合金（体積比１：９および４：６）をカソードとして用いた。２つの独立した抵抗的に加熱されたタンタルボート(resistively heated tantalum boat)から、CaおよびAl を同時に蒸着することによりこのことが行われた。CaおよびAlの体積比を２つの金属の蒸発速度によって制御した。実施例１と同様に、合金層の上部に、純粋なアルミニウム(2000Å)をキャッピング層として蒸着した。実施例２で説明したように、85℃での負荷の間の輝度変化と時間との関係を測定したが、これを図６に示す。図２および図６を比較すると、Ca/Al合金カソードを有するデバイスが、厚いＣａカソードで通常得られるデバイスに匹敵する85℃での負荷寿命(stress life)、つまり５０時間を示すことが明らかである。この比較例は、アルカリ土類金属等の仕事関数の低い金属とより安定な金属との合金を用いたデバイス（後者は当業者に公知である）と比較して、アルカリ土類金属の極薄層を含むカソードが、デバイス寿命に関して著しい利点を有することを示す。さらにこの比較例は、アルカリ土類金属の極薄層を用いることにより得られる向上が、偶然にキャッピング金属と合金化した結果ではないことを示す。

Claims

【特許請求の範囲】１．ポリマー発光ダイオードであって、（ａ）透明なホール注入アノード層と、（ｂ）エレクトロルミネセンスポリマーを含む発光層と、（ｃ）電子注入カソード層と、を含み、該カソード層は、約15〜約100Åの厚さを有するアルカリ土類金属の極薄層を含む、ポリマー発光ダイオード。２．前記アルカリ土類金属の極薄膜が約30〜約60Åの厚さを有する、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。３．前記アルカリ土類金属が、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムからなる群から選択される、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。４．前記アルカリ土類金属が、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムからなる群から選択される、請求項２に記載のポリマー発光ダイオード。５．前記カソード層がキャッピング層をさらに含む、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。６．前記カソード層がキャッピング層をさらに含む、請求項２に記載のポリマー発光ダイオード。７．前記カソード層がキャッピング層をさらに含む、請求項３に記載のポリマー発光ダイオード。８．前記カソード層がキャッピング層をさらに含む、請求項４に記載のポリマー発光ダイオード。９．前記キャッピング層がアルミニウム、銀、または銅を含む、請求項５に記載のポリマー発光ダイオード。１０．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、共役ポリマーである、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。１１．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、共役ポリマーである、請求項２に記載のポリマー発光ダイオード。１２．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、共役ポリマーである、請求項３に記載のポリマー発光ダイオード。１３．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、共役ポリマーである、請求項４に記載のポリマー発光ダイオード。１４．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、ポリ(p-フェニレンビニレン )、ポリ(アリーレンビニレン)、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(アリーレン)、およびポリキノリンからなる群から選択される、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。１５．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、ポリ(p-フェニレンビニレン )、ポリ(アリーレンビニレン)、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(アリーレン)、およびポリキノリンからなる群から選択される、請求項２に記載のポリマー発光ダイオード。１６．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、ポリ(p-フェニレンビニレン )、ポリ(アリーレンビニレン)、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(アリーレン)、およびポリキノリンからなる群から選択される、請求項３に記載のポリマー発光ダイオード。１７．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、ポリ(p-フェニレンビニレン )、ポリ(アリーレンビニレン)、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(アリーレン)、およびポリキノリンからなる群から選択される、請求項４に記載のポリマー発光ダイオード。１８．前記エレクトロルミネセンスポリマーが、ポリ(2-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-5-メトキシ-1,4-フェニレン-1,4-フェニレンビニレン)である、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。１９．前記アノード層が、金属、金属酸化物、グラファイト、ドーピングされた無機半導体、ドーピングされた共役ポリマーからなる群から選択される物質を含む、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。２０．前記アノード層が、アルミニウム、銀、プラチナ、金、パラジウム、タングステン、インジウム、銅、鉄、ニッケル、亜鉛、鉛、酸化スズ、インジウム／酸化スズ、グラファイト、ドーピングされたシリコン、ドーピングされたゲルマニウム、ドーピングされたガリウム砒素、ドーピングされたポリアニリン、ドーピングされたポリピロール、およびドーピングされたポリチオフェンからなる群から選択される物質を含む、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。２１．前記ポリマー発光ダイオードがカプセル化されている、請求項１に記載のポリマー発光ダイオード。